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1、计算机辅助装配工艺设计计算机辅助装配工艺设计机械设计制造及其自动化 章毅 100080201002 摘要：本文主要介绍了人工装配工艺设计的主要内容、计算机辅助装配工艺设计系统的组成及其各组成部分的主要功能，并对装配工序图的自动生成方法及特点作了简要介绍。先进制造技术对CADCAM集成系统的要求，说明CIMS的基本概念及其基本构成。概括并行工程（CE）的工作过程，以及进行并行产品设计时，应该解决哪些问题，和实现虚拟制造系统（VMS）的关键技术。关键词：人工装配工艺设计 计算机辅助装配工艺设计 装配工序图 CE CIMS计算机辅助装配工艺设计（Computer Aided Assembly Pro

2、cess Planning,CAAPP），也称装配CAPP，从本质上说就是应用计算机模拟人编制装配工艺过程，自动生成装配工艺文件的方法。应用CAAPP系统，一方面使实践经验少的工艺人员也能设计出较好的工艺过程，另一方面能使有经验的工艺人员从繁琐的重复性劳动中解放出来，改进现行工艺和研究新工艺。CAAPP系统不仅可充分发挥计算机高速处理信息的能力，而且将工艺专家集体智慧融合在CAAPP系统中，从而保证了工艺设计质量，降低了产品成本，提高了产品在市场上的竞争力。设计人员首先将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形式输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息进行翻译，形成机内零

3、件拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀分配、工艺参数选择等）与刀具运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每次走刀运动的坐标数据和工艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；然后按照NC代码规范和指定数控机床驱动控制系统的要求，将主信息处理后得到的刀位文件转换为NC代码，这一过程称之为后置处理。经过后置处理便能输出适应某一具体数控机床要求的零件数控加工程序（即NC加工程序），该加工程序可以通过控制介质（如磁带、磁盘等）或通讯接口送入机床的控制系统。 整个处理过程是在数控系统程序（又称系统软件或编译程序）的控制下进行的。这一过程就是计算机辅助数控加工。先进制造技术对CADCA

4、M集成系统的要求在当今世纪之交的时期，从全球范围来看，一个更加激烈的竞争环境正在形成，消费者的价值观正在发生结构性变化，呈现出多样化与个性化的发展。在未来消费者导向的时代、如何对市场环境急剧变化作出快速反应，即掌握用户需求，有效地生产和提供令用户满意的产品和服务，是21世纪制造业面临的挑战。其持点如下：1)产品开发周期缩短，上市时间更快，这是2l世纪市场环境和用户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。这点从美国制造业策略的变化可以看出。美国制造业的策略从50年代的“规模效益第一”，经过70年代和80年代的“价格竞争第一”和“质量竞争第一“，发展到90年代的“市场速度第一”，时间因素被提到首要

5、位置。2)提高市场占有率，在T(时间)Q(质量)c(成本)s(服务)E(环境)目标下加强时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力、创新竞争能力。其中最重要的能力是创新能力。企业的创新不仅指产品设计和生产工艺上的创新，还要包括制造观念的更新，组织和经营的重构，资源、技术和过程的重组。创新能力是推动企业发展的动力和最强大的竞争武器。3)更加提高柔性，以响应“瞬息万变、无法预测”的市场。企业不仅要具备技术上的柔性，还要具备管理上的秉性和人员组织上的柔性。 21世纪制造业将通过快速重组来捕捉不可预见的机会；4)生命周期内的质量保证。产品质量的完整概念是顾客的满意度。对产品质量更全面的理解是：用户占有、

6、使用产品的一种综合主观反映，包括可用、实用、耐用、好用、宜人。5)企业的组织形式将是跨地区、跨国家的虚拟公司或动态联盟。Internet国际网为虚拟公司或动态联盟的实现提供了一定的基础。6)生产过程更加精良。产品开发、生产、销售、维护过程更加简化，生产工序更加简单，从而降低成本，提高劳动生产力，缩短上市时间。7)人员素质更加提高。2l世纪制造业要求全体职员具有更高的技术、管理和协作素质，每个人都应掌握多种技术，胜任多种工作，对企业状况和市场环境了解、员工之间有高度的信任和协作精神，充分发挥企业的群体优势。8)智能化程度更高。在产品设计和制造过程中广泛应用人工智能技术，各种设备的智能化程度大大提

7、高。9)更加注意环境问题。因为环境问题是人类社会所面临的共同问题，是关系到人类生存的大问题，也是社会能否持续发展的重要问题，因此引起了人们的广泛关注。10)分布、并行、集成并存。分布性更强，分布范围更广，是全国、全球范围的分布；并行化程度更高，许多作业可以跨地区、跨部门，分布式并行实施；集成化程度更高，不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人和环境的集成。21世纪制造业的四个关键因素是技术、管理、人和环境。 实现21世纪制造模式所涉及的关键技术主要有： (1)集成化技术 在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、入和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念，即信息

8、集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成。 (2)智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计，制造，发货，支持用户到产品报废等)各个环节的智能化，实现生产过程(包括组织，管理，计划，调度，控制等)各个环节的智能化，也要实现人勺制造系统的融合及人的智能的充分发挥。 (3)网络技术 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。 (4)分布式并行处理技术 该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解，实现系统的最伏决策。 (5)多学科、多功能综合产品开发

9、技术 机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知识(力学，材料，工艺等)，而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术田京，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静热特性、效率、精度、使用寿命、可靠件、制造成本与制造周期的最佳组合。 (6)虚拟现实技术 利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术、实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真，采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。 (7)人一机一环境系统技术 将入、机器和

10、环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术人在系统中的作用及发挥，人机柔性交互技术，人机智能接口技术，清洁制造等。这些主要关键技术体现了21世纪制造技术对CADCAM集成系统的要求，表达了CAD/CAM集成发展的方向。二、CIMS的基本概念及其基本构成一、基本概念CIMS一词最早于1974年由美国约瑟夫哈林顿博士提出来的，其基本思想是1)企业的各种经营活动是不可分割的，要统一考虑；2)整个生产制造过程实质上是信息采集、传递和加工处理过程。 20多年来CIM概念不断得到丰富与发展。CIM与CIMS表面上看来仅有一字之差，但我们对它应有不同的认识。CIM

11、是企业组织、管理与运行的一种新哲理。它运用现代多种先进科学技术，实现企业的信息流、物质流及价值流(资金流)的集成和优化运行，是企业赢得市场竞争的经营战略思想。而CIMS是按CIM哲理建成的复杂的入机系统，它从企业的经营战略目标出发，综合考虑企业中人、技术、资源和管理的作用，综合应用多种先进技术，实现企业生产经营全过程中的信息流和物质流的集成，在控制系统的协调及管理下，使产品质量、生产成本、生产周期等诸方面达到全局最优，为企业带来史大的经济效益。上述概念，说明CIMS具有下列两个特征： 1)在功能上，CIMS包含了整个工厂的全部生产经营活动，即从市场需求分析、生产经营决策、产品设计、加工制造、质

12、量管理、经营销售等一直到售后服务全部活动，如图1所示。图一 制造业公司的CIM概念模型 2)CIMS与传统的自动化有所不同，其范围及复杂程度要大很多。CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化或计算机及其网络(即“自动化孤岛”)的简单相加，而是有机的集成。这里的集成，不仅是物料、设备的集成，更主要的是体现以信息集成为本质的技术集成、人的集成。 二、CIMS的基本构成 CIMS的构成可以从功能、结构和科学等不同角度来理解。从功能角度看，CIMS包含了一个制造工厂的设计、制造及经营管理三方而的功能，要伎这三者集成起来，还需要有一个支撑环境，即分市式数据库和计算机网络，以及指导集成运行的系统技术。

13、 美国制造工程师学会(SME)提出了CIMS的功能体系结构，用轮式图表示，在1985年提出的SME轮式结构曾被广泛用于表示CIMS的构成，它将CIMS的功能分解为里、中、外3层。里层为制造数据库，中层为信息管理、工程设计、工厂生产和制造工程4个功能部分，如图2所示。 1993年SME推出了CIMS功能构成的新版本，见图3，该轮图考虑了实施自动化之前简化的企业与顾客，供应商之间的交互作用的重要性。该轮图内6层组成，分别为：1、用户；2、人、技术和组织；3、共享的知识和系统；4、过程；5、资源和职责；6、制造基础结构。 90年代的CIMS轮图将顾客作为轮图的核心，充分表明要赢得竞争的胜利即要占领市

14、场，就必须满足用户不断增长的需要，所以可以说满足用户的需求是成功实施CIMS的关键，用户是CIMS的核心。图2 1985年CIMS轮图图3 1993年CIMS轮图装配工序图的自动生成零件加工CAPP中一个非常困难的研究领域就是工序图的自动生成，此领域的研究一直未能取得突破性的进展。相对于零件加工工序图，装配工序图自动生成的研究更困难，其原因在于装配工序图将涉及不同类型的零件及其空间的位置关系，难于处理。一般而言，装配工序图的自动生成有如下三种方案：1）采用一定方式获取装配图，生成装配工序图，可按一定规则截取装配图的某一有限部分，然后进行必要的修改。例如，在已经实现CAD进行装配图设计的情况下，

15、生成装配工序图时，可根据装配任务输入的零部件信息及生成的装配工艺，确定该工序图所占图形空间的区域，对装配图进行截取，然后对图形做必要的修改，删除不应存在的零件，修正投影关系，适当修改标注信息，最后生成装配工序图。在未采用CAD设计装配图的情况下，使用此种方法，计算机难于获取装配图；同时，在生成装配工序图时，需要做大量的修改工作，计算工作量及实现难度较大。2）建立所有零件的图形库，生成装配工序图时，可根据相应规律将有关零件按一定关系“组合”到一起。在此方案中，需要正确描述并输入零部件的几何信息及零部件间的装配关系。实际实现时，可根据输入的装配信息，以某种“组合算法”修改零部件图形，把修改后的图形

16、进行迭加，加上正确的标注信息，最终生成装配工序图。此种方法比较先进，但开发工作量及实际难度均较大，且需针对特定企业及产品建立零件库，应用范围受限制。3）基于典型的装配副关系生成典型副装配工序图并建立图库，其参数为变量。实际生成装配工序图时，可按一定规则对装配工序图库中的相应图形进行适当的修改，必要时允许少量的人工干预。在此方案，主要研究工作包括：典型零部件特征和典型装配副装配工序简图库的建立；各典型零部件特征和典型装配副装配工序简图之间的组合关系。此方案一般应用在范围不大的场合，针对有限目标具有实现的可能。并行工程(CE) 并行工程是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行集成的并行地设计

17、的系统化工作模式。这种模式力图使产品开发人员从设计一开始就考虑到产品生命周期从概念形成到报废)中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。基于并行工程哲理的面向产品生命周期的并行产品设计，不能简单地理解为时间上的并发，并行工程的核心是基于分布式并行处理的协向求解，及服务产品整个生命周期诸进程活动的产品设计结果的评价体系及方法，在两者支持下，面向产品整个生命周期寻求全局最优决策。 为实现并行工程，必须对传统的产品开发模式进行改革，组建在并行工程哲理下所需要的集成产品开发团队(IPT，Intrgrating Product Team)。这种方法称为产品开发过程豆构(Product Develop

18、ment Process Re-engineering) 它包括市场分析、确定产品开发信息流程和开发进程。过程重构应按任务级、项目级、工程级和企业级分层次实施，随着团队规模的增大，过程更构的复杂程度成倍增长。过程重构应当考虑下列因素： 1)明确责任划分的产品开发数据流程；2)产品开发过程根据任务规划树体现出工作过程的有序性及可并行性，构成串、并行开发机制的集成。共主要工作有：1确定任务规划树根据产品生产类型及性能、规格的决策，对产品开发过程进行任务规划，亦即产品设计任务逐岁划分为不同层次上的子任务来描述，如同4所示。它体现完成系统开发的串、并行工作机制集成，即并行产品开发过程存在着有序性及可并

19、行性。从实现总任务功能上可划分的子任务之间存在着“逻辑与”的关系 其中，GT为总任务，ST为子任务(i1，2，n)。它表明各子任务的解集组合构成总任务的解；而完成子任务的操作(求解方法)是“逻辑或”的关系。图4 任务树2制订信息流 根据确定的任务规划树，可制订出并行产品并发过程个的信息流程图、如图5所示。 3过程建模 为了对产品并行设计的实施进行研究、控制和管理，必须对产品开发过程的系统设计进行建模。由于面向并行工程的产品开发过程主要受到产品信息、产品开发功能活动、产品开发组织模式、产品开发资源等因素的影响，在建立相应模型的基础上，构造设计过程控制框架如图6所示。图5 并行产品开发流程图6 设

20、计过程控制框架VMS的关键技术 VMTVMS是国际上刚刚提出的概念，其理论基础与体系尚未完全形成，正处在研究探索阶段。研究工作所面对的是多种学科的交叉、多种高新技术的融合，需要研究和解决的问题很多。应充分利用国内外CMS和IMS的研究成果，根据虚拟制造系统VMS的特点，重点研究虚拟制造系统基础理论及其关键技术。主要内容有：1)虚拟制造系统的理论体系；2)基于分布式并行处理环境厂的虚拟制造系统的开放式体系结构(VMSOSA)的研究;3)虚拟环境下的产品主模型技术。主模型是一个核心，能以此为中心通向设计、制造、生产、管理等各个环节并为其提供服务。主模型有统一的动态数据结构和管理、调度、控制及决策四

21、个机制，主模型所建立的产品模型足虚拟产品模型，它是一个数字产品模型，具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，虚拟产品在它投入生产以前就已存在，它具有明显的可视性，旦能并行处理设计、分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题，并能在供销之间建立信息系统；4)虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解技术与系统；5)虚拟环境下系统全局最优决策理论与技术；6)现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射，虚拟设备，虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间及虚拟工厂(公司)的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技7)基于虚拟现实、科学可视化技术、多媒体教计算机仿真等技术的综合可视化技术

22、的研究，以实现真实动画感的虚拟产品的装配仿真、生产制造过程及生产调度仿真、数控加工过程仿真等技术与系统；8)虚拟环境及虚拟制造过程中的人机协同求解模型；9)VMS集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境；10)虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。结束语 从对计算机辅助装配工艺设计的料及额可以看出，开展计算机辅助装配工艺设计的研究具有十分重要的意义，一方面，它能充分缩短编制装配工艺的时间，减少人的繁琐劳动，提高装配工艺的规范化程度，降低对有经验工艺人员的依赖。另一方面，随着各种先进制造生产模式，计算机辅助装配工艺设计的研究也得到了更进一步发展，这必将对现在制造业的发展起到巨大的推动作用，同

23、时为并行工程和虚拟制造技术的深入研究奠定坚实的基础。参考文献：1宁汝新，等.CAD/CAM技术M北京：机械工业出版社，20052蔡汉明，等.机械CAD/CAM技术M.北京：机械工业出版社，2003.3慈瑞梅，郑勇，王拴虎.计算机辅助装配工艺设计集成化系统研究J.兵工自动化.2003,2（1）：32-35. 4康友树，周济，向文.计算机辅助装配工艺设计J.机械工艺师.1996，（6）：16-19.5陈丹晔，易红，顾建钧.敏捷制造模式下的计算机辅助装配工艺设计系统的研究J.计算机应用.2000,（5）:37-39. 5 宁汝新、徐弘山机械制造中的CAD/CAM技术北京：北京理工人学出版社，1991.6 宁汝新、欧宗瑛、赵汝嘉 CAD/CAM技术 机械工业出版社